余靜喜 伍玉嬌, 龍 瓊 凌 敏 周登鳳

(1.貴州大學(xué)材料與冶金工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州理工學(xué)院材料與冶金工程學(xué)院、2011貴州省特種功能材料協(xié)同創(chuàng)新中心，貴州 貴陽 550003)

6061鋁合金中的主要合金元素為鎂與硅，具有中等強度、良好的耐腐蝕性、可焊接性，氧化效果較好、韌性高，廣泛應(yīng)用于航天固定裝置、電器固定裝置、通訊領(lǐng)域等[1]。但由于6061鋁合金的熔點較低，散熱器上需要很多條焊縫進(jìn)行連接，這對施焊溫度、釬料的熔點和釬料與接頭的綜合力學(xué)性能等有相當(dāng)高的要求[2- 3]。目前，Al- Si系釬料被廣泛用于6061鋁合金真空釬焊。而Al- Si系合金釬料缺點是共晶相變溫度較高，共晶點溫度為577 ℃。而釬焊要求釬料的熔化溫度至少低于母材的固相線溫度15 ℃，該釬料常在600～605 ℃進(jìn)行施焊，非常接近6061等鋁合金的熔點[4]，易出現(xiàn)母材過燒、溶蝕、晶粒長大等缺陷。6061鋁合金釬焊后常需進(jìn)行熱處理強化，要求釬焊溫度低于釬料的固溶處理溫度。Al- Si合金中沒有強化相，通常往Al- Si系合金中加入金屬Mg，形成的Mg2Si是基體的主要強化相，加入Mg后的Al- Si合金可以進(jìn)行熱處理強化[5]。Raghavan V[6]研究表明，Mg可以與Al、Si在熔化過程中發(fā)生低熔點共晶反應(yīng)，Al- Si- Mg合金相圖存在兩個共晶點分別為L→Al和L→Al+Si+Mg2Si(共晶溫度557 ℃) ，該共晶反應(yīng)下Mg的含量很低，焊接效果較差。為解決傳統(tǒng)Al- Si合金釬料熔點高，無強化相不利于焊后熱處理強化等缺點，研究新型低溫鋁合金釬料來提高焊接接頭的綜合力學(xué)性能具有重要意義,國內(nèi)外研究人員為此做了大量研究。虞覺奇[7]利用快速凝固的方法來降低Al- Si釬料的熔點，但效果并不明顯，通常只用于簡單結(jié)構(gòu)件的焊接。王少洪等[8]在釬料中加入稀土元素，使片狀變?yōu)獒槧瞰@得較好的力學(xué)性能，但焊接接頭的綜合性能還有待進(jìn)一步提高。

本試驗主要針對6061鋁合金，采用Al- Si- Mg釬料，將Cu和Y復(fù)合添加到釬料中來研究其對鋁基釬料的影響，確定綜合性能優(yōu)異的釬料成分，為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗材料為6061鋁合金棒，Al- Si- Mg-xCu釬料(x表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%)，以及Al- Si- 10Cu- Mg- 0.5Y和Al- Si- 12Cu- Mg- 0.5Y釬料，釬料合金的成分如表1所示。

釬料熔化特性曲線采用NETZSCH STA449 F3同步熱分析儀測定，各取釬料10 mg，試驗升溫速率為10 ℃/min；金相試樣經(jīng)過打磨、拋光后，用混合酸(氫氟酸2 mL+鹽酸3 mL+硝酸5 mL+蒸餾水240 mL)腐蝕幾秒，用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察；潤濕性試驗按照GB/T 11364—2008釬料潤濕性試驗方法在6061鋁合金板上進(jìn)行，稱取熔煉好的釬料0.2 g，母材6061鋁合金板的長度為40 mm，寬度為40 mm，厚度為1 mm；焊接接頭拉伸強度利用SANS靜態(tài)電子萬能拉伸試驗機測試，拉伸速率為2 mm/min；利用ZEISS掃描電子顯微鏡及其附帶的能譜儀觀察焊縫組織和斷口形貌、分布和成分；采用PANalytical的X’PertPRO X射線多晶衍射儀對鋁合金釬料進(jìn)行X射線衍射分析，工作條件為： Cu靶，加速電壓40 kV，工作電流40 A，掃描角度20°～80°，掃描速率0.334 (°)/s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 Cu對Al- Si- Mg- xCu釬料液固相線的影響

Al- Si- Mg-xCu釬料合金液固相線溫度的測量結(jié)果如表2所示，相比企業(yè)常用的Al- Si- Mg釬料，Cu元素的添加使釬料的熔化溫度明顯下降。圖1 為Al- Si- Mg-xCu釬料的DSC曲線，結(jié)合表2和圖1分析，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由6%升至12%時，固相線溫度由514.8 ℃升至519.5 ℃，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由12%升至18%時，隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，固相線溫度先從519.5 ℃降至515.5 ℃后又升到517.4 ℃。Cu元素的增加顯著影響釬料的液相線溫度。當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由6%升至18%時，液相線溫度由572.7 ℃逐漸降至542.9 ℃，降幅達(dá)29.8 ℃；當(dāng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%以上時，對釬料液相線的影響顯著減小;Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%及以上時，釬料的液相線溫度均低于555 ℃，只要在585 ℃左右就可以完成對6061鋁合金的釬焊， 比企業(yè)中常用的Al- Si- Mg釬料的施焊溫度降低了23 ℃，能有效避免因釬焊溫度過高，使母材發(fā)生熔蝕、過時效和過燒，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能下降。隨著液相線溫度的下降，可以降低施焊溫度，使接頭質(zhì)量更加穩(wěn)定，提高成品率。

表2 Al- Si- Mg- xCu釬料合金的液固相線溫度Table 2 Liquidus and solidus temperatures of Al- Si- Mg- xCu solders

圖1 Al- 10Si- 1Mg- xCu釬料的DSC曲線Fig.1 DSC curves of Al- 10Si- 1Mg- xCu solders

在確定Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%以上時，對釬料液相線的影響顯著減小后，在Al- Si- Mg- 10Cu和Al- Si- Mg- 12Cu釬料的基礎(chǔ)上添加0.5%的稀土元素Y。采用同步熱分析儀對Al- Mg- Si- 10Cu- 0.5Y和Al- Mg- Si- 12Cu- 0.5Y 釬料進(jìn)行固液相線溫度的測定，DSC曲線如圖2所示，測量結(jié)果如表3所示。兩種釬料合金均有類似的共晶反應(yīng)吸熱峰。圖2(a)中Al- Si- Mg- 10Cu- 0.5Y釬料的固液相溫度區(qū)間為36 ℃，固相線溫差較不添加Y的釬料降低2.2 ℃，液相線溫度升高0.2 ℃，固液相線溫差增加2.4 ℃。圖2(b)中Al- Mg- Si- 12Cu- 0.5Y釬料的固液相溫度區(qū)間為34.1 ℃，固相線溫差較不添加Y的釬料降低2.6 ℃，液相線溫度升高3.4 ℃，固液相線溫差增加6.0 ℃。因此，稀土元素Y的添加對釬料固相線溫度無明顯影響。

圖2 (a)Al- Si- Mg- 10Cu- 0.5Y和(b)Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y釬料的DSC曲線Fig.2 (a) DSC curves of Al- Si- Mg- 10Cu- 0.5Y and(b)Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y solders

表3 Al- Si- Mg- xCu釬料的液固相線溫度Table 3 Liquidus and solidus temperatures of Al- Si- Mg- xCu solders

2.2 釬料的顯微組織

圖3為Al- Mg- Si-xCu- 0.5Y(x=10,12)和Al- Mg- Si-xCu(x=10,12)釬料合金相圖。由圖可知，釬料中加人質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的稀土Y后，釬料中的共晶相和先析出相較無稀土的釬料合金明顯細(xì)化，且分布比較均勻。這主要是由于釬料中加入稀土Y后對釬料的變質(zhì)作用所致。

2.3 釬料的鋪展性能

釬料和母材的成分對釬料的潤濕性起到了決定性的作用[9]，加入稀土Y后的釬料形貌和釬料的鋪展面積分別如圖4和表4所示?？梢?，加入稀土Y后的流鋪面積明顯比不加稀土Y的大，Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y釬料的流鋪面積最大，較不加Y的釬料大15 mm2，Al- Si- Mg- 10Cu- 0.5Y釬料的流鋪面積較不加Y的釬料大40 mm2。

稀土Y能改善釬料的潤濕性，導(dǎo)致釬料流鋪面積增大的原因主要為：釬料在熔化時稀土Y集聚在液態(tài)釬料的表面，與母材呈現(xiàn)正吸附，使釬料的表面自由能降低，表面張力也顯著減小，釬料在母材上的潤濕性能得到改善。鋁合金在凝固過程中，稀土Y富集在鋁合金的固液界面上，α- Al固溶體中幾乎沒有稀土Y，引起鋁合金的成分過冷，α- Al枝晶在凝固過程中的生長速率減緩，并且大量的稀土Y和氧形成異質(zhì)形核核心，使鋁合金在凝固過程中大量形核，促進(jìn)晶粒細(xì)化，而細(xì)化晶粒的界面比較光滑，從而使得合金在熔化時阻力減小，流動性也越好。

圖3 (a)Al- Si- Mg- 10Cu- 0.5Y、(b)Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y、(c)Al- Si- Mg- 10Cu和(d)Al- Si- Mg- 12Cu釬料的顯微組織Fig.3 Microstructures of (a) Al- Si- Mg- 10Cu- 0.5Y, (b) Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y, (c) Al- Si- Mg- 10Cu and (d) Al- Si- Mg- 12Cu solders

表4 釬料的鋪展面積Table 4 Spreading areas of solders mm2

2.4 Y對焊接接頭力學(xué)性能的影響

稀土元素Y的添加使得焊接接頭的力學(xué)性能明顯提高，如表5所示。Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y釬料的抗拉強度最高，比Al- Si- Mg- 12Cu釬料高10 MPa，Al- Si- Mg- 10Cu- 0.5Y釬料的抗拉強度比Al- Si- Mg- 10Cu釬料高7 MPa。加入稀土Y后延緩了Cu和Al以及Mg和Si的擴散和偏聚形核，促進(jìn)了Mg、Cu、Si等元素的擴散，從而使Mg2Si、Al2Cu等脆性相的偏聚度減小，過剩相粒子變薄變小，鋁合金的晶粒得到了細(xì)化；稀土Y與Al生成的Al3Y以及和Si生成的YSi2大量富集在α- Al的相界處，結(jié)晶時阻礙了晶粒的長大，在外力作用下，偏聚于晶界的Al3Y和YSi2對位錯起到了“釘扎”的作用，啟動位錯需要更大的力，所以Y的添加使接頭的強度和韌性提高。

2.5 Y對焊縫顯微組織的影響

表5 釬料的抗拉強度Table 5 Tensile strength of solders

圖5為Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y/6061真空釬焊焊縫形貌。添加稀土Y后，焊縫的晶粒細(xì)化且分布比較均勻。晶粒越細(xì)，晶界也越多，位錯塞積的地方就多，必須施加更大的力才可以使位錯移動[10]。

根據(jù)Hall- Petch[11]公式：

(1)

式中：σ表示屈服強度，σ0表示單晶的屈服強度，k表示常數(shù)，d表示晶粒直徑,可以看出，材料的屈服強度與晶粒直徑倒數(shù)的平方根成正比，因此細(xì)化晶?？梢蕴岣卟牧系膹姸?、塑性，能提高材料的力學(xué)性能。因此，稀土Y的加入使接頭的強度提高。

用Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y釬料焊接6061鋁合金棒，并對焊縫組織進(jìn)行元素線分布掃面，其結(jié)果如圖6所示。保溫70 min后，焊縫處Cu、Si、Mg元素的占比比釬料中的要小，各合金元素在焊縫和周圍母材中的成分變化不大。在濃度梯度的驅(qū)使下，Si和Cu元素可以有效地在Al基體中擴散，在焊縫中分布也比較均勻，Cu和其他元素則發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)，產(chǎn)生合金相。

圖5 Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y/6061真空釬焊焊縫形貌Fig.5 Weld morphology of Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y/6061 vacuum brazed

圖6 Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y/6061焊縫元素線分布Fig.6 Line distribution of elements in brazed Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y/6061 weld

2.6 接頭斷口形貌

焊接接頭斷裂在焊縫處，利用掃描電鏡對Al- Si- Mg-xCu- 0.5Y(x=10,12)/6061釬焊接頭斷口進(jìn)行分析，如圖7所示。由圖7可見，稀土Y的添加可使焊縫中的撕裂棱較未添加稀土的均有所減少，接頭斷口缺陷也相對減少，斷口中存在一些韌窩。因此，稀土元素Y在真空釬焊中可以大大減少釬焊缺陷，從而顯著提高釬焊接頭的強度。

圖7 Al- Si- Mg- xCu- 0.5Y(x=10、12)/6061釬焊接頭斷口形貌Fig.7 Fracture morphologies of brazed joints of Al- Si- Mg- xCu- 0.5Y (x=10, 12) /6061

3 結(jié)論

(1)當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于12%時，隨著Cu含量的增加，Al- Si- Mg-xCu系釬料的液相線溫度逐漸下降；當(dāng)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過12%時，Cu含量對釬料液相線溫度的影響不明顯。而Cu含量對固相線溫度無顯著影響。

(2)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的稀土Y對釬料Al- Si- Mg-xCu- 0.5Y(x=10,12)的固液相線溫度的影響不明顯，Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y的熔化溫度區(qū)間為516.6～550.7 ℃。但稀土Y的添加可以顯著細(xì)化Al- Si- Mg-xCu- 0.5Y(x=10,12)釬料的顯微組織，提高接頭強度，Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y釬料的接頭抗拉強度可達(dá)103 MPa。

(3)Y元素的添加，能降低表面張力，顯著增大釬料的鋪展面積，Al- Si- Mg- 12Cu- 0.5Y釬料的鋪展面積最大為372 mm2；此外，添加稀土元素還可明顯減少釬焊缺陷。